金属及热处理04淬火与时效研究

淬火
时效
强 度 、 硬 度
温度或时间
5.2 固溶处理（只讨论基体无多型性变化的情况）
固溶过程的热力学分析
只要基体的固溶度随温度变化即可。铝、 T L
镁、铜、镍合金均可。
合金固溶处理前后性能的变化分析
不同合金性能变化会不相同，与合金成 分、原始组织、淬火工艺、淬火后组织 等有关：
一些合金处理后，其强度提高而塑性降
3、不形核自发分解（Spinodal 分解） 拐点或旋点（Spinodal point）
可能出现Spinodal分解的合金系有：Al-Zn、AuNi、Au-Pt、Nb-V、Zr-Nb、Cr-W、 Cu-Ni、CuRb、Ir-Pt等，其相图都存在 如图所示的混溶间 隙，析出相仅成分与母相存在差异，结构相同。 如图所示，自由能成分曲线必然存在其二阶导 数 d2G/dC2=0的点，即 s1 和 s2 两个点，可称之 为拐点或旋点（Spinodal point），成分在两拐 点 间 ， d2G/dC2<0 ， 而 在 两 拐 点 以 外 ， d2G/dC2>0 。若将不同温度下的自由能成分曲 线的拐点的成分位置相应地表示在相图上，则 可得到旋点线（RKV），过冷到旋点线以下的 固溶体可能发生Spinodal 分解。
第五章 无多型性转变合金的 淬火与时效
Quenching and aging in the alloys without allotropic transformation in matrix
五、无多型性转变合金的淬火与时效
5. 1 概述 5. 2 固溶处理
5. 3 过饱和固溶体分解机制
1、脱溶过程的热力学基础 2、脱溶过程的相变驱动力及其在自由能-成分曲线上的表征 3、不形核自发分解（Spinodal 分解） 4、按形核长大机制分解的固溶体脱溶
解成αa+αb两相组织。

G(T1)
B
然而，过饱和固溶体的脱溶可以以 两种不同类型的转变来完成： G （C2）——不形核自发分解 （Spinodal分解）；
A
C2
（ 1 ） 成 份 处 于 s1s2 之 间 的 合 金
G(T) s1 a s2 b B
（ 2 ） 成 份 处 于 s1s2 之 外 的 合 金
时效（回火）——亚稳过饱和固溶体分解， 时效与回火区别在于 基体转变与否？铝、 铜、钛和钢铁 。
2、工艺形式：
大多数情况下淬火+ 时效，但是也存在仅有 淬火（自然时效）和仅有时效（挤后冷即
淬）的情况
淬火
时效
3、目的与应用：
淬火（固溶处理）——获得过饱和固溶体： i、时效前的预处理； ii、冷加工前的中 间处理，消除加工硬化，消除脆硬相的有害影响；iii、最终热处理（固溶处理）； 时效——使过饱和固溶体分解（脱溶、沉淀），用作最终热处理，调整组织性能。
4、组织变化：
淬火（固溶处理）——可溶相溶解，形成过饱和 固溶体，基体发生回复、再结晶与晶粒长大； 时效——过饱和固溶体分解（脱溶、沉淀），粗 化，产生强化相颗粒，基体晶粒一般无明显变化。
5、性能变化：
淬火（固溶处理），分三种情况： i、若原始组织中第二相弥散且硬，固溶后强度下 降，塑性保持或提高（第二相沉淀强化大于固溶 强化）； ii、若原始组织中第二相粗大、不弥散，固溶后强 度提高（第二相沉淀强化小于固溶强化） ； iii 、若原始组织中第二相脆硬，且沿晶界或网胞 呈网状分布，固溶后强度、塑性都会有明显提高 （第二相沉淀强化大于固溶强化，例如，铸造合 金的固溶处理）。 时效——如图所示。
（C1）——以形核长大过程的分解
A
2、脱溶过程的相变驱动力及其在自由能-成分曲线上的表征

相变驱动力是脱溶过程发生前后的体系自由能变化（差）
在温度T下，C0合金单相固溶体α摩尔自由 能为G0，析出少量成分C2脱溶晶核， α相成 分降至C1，二者摩尔自由能分别为G2 、 G1 。 若脱溶相摩尔数n1而脱溶后α基体的为n2, ΔG=G(析出后)-G(析出前) =（n1G1+n2G2）-（ n1+n 2）G0
Spinodal 分解过程
C0成分在微观区域内发生微小的浓度起伏，偏离成Cp和Cq，都会自发进行下去。 （1）反映一开始，不需临界形核，（2）分解一旦开始，就迅速席卷α相的整个体 积。（3）成份分离加大，直到达到平衡成分（Ca和Cb），自由能降到最低。
任何一个起伏都是稳定的，则固溶体中存 在高于平均成分的偏聚区，也有溶质贫乏 区，偏聚区周围为贫乏区，贫乏区周围为 偏聚区，构成 Spinodal 分解条件，不需形 核。如此连锁反应使这种浓度起伏迅速波 及整个体积，呈周期性，像弹性波，（成 份波，具有正弦波性质）。随后偏聚加重， 成份振幅加大（中期），浓度不同导致弹 性应变能增大，共格形消失，出现相界面 （后期）。再后来像形核长大情形一样， 是脱溶相聚集、粗化或消失的过程。
若脱溶相和基体成分均匀，由杠杆定律有，
n1/n 2 =（G2-G0）/ （G0-G1） 两式合并，则有， ΔG=n2 {（G2-G0）- （C2-C0）[ （G0-G1）/ （C0-C1）]} 当C2成分的脱溶相很少时， C1→C0， （G0-G1）/ （C0-C1）→(dG/dC)c0 因此，ΔGV= ΔG/ n2 = （G2-G0）- （C2-C0） (dG/dC)c0 , 则， G2-G0=AE, （C2-C0） (dG/dC)c0 =BE, 故ΔG=AB
但对于铸造合金而言，可以起到提高强
度和塑性，调பைடு நூலகம்性能的作用。
5.3 过饱和固溶体分解机制
1、 脱溶过程的热力学基础

T
T1 T2 G G(T2) a b C1
这里，以一个具有混合间隙的 A-B 二元合金系为解说对象，以便我们
能较全面地了解过饱和固溶体分解 的相变驱动力和脱溶过程。

a
s1
s2
b
对于处于ab之间成分的合金，其过 饱和固溶体都会发生分解，自发分
T1 T2
+
低；但有些合金相反，也有些合金的性
A
C2
C0
C1
B
能变化不大。
基体无多型性转变的合金固溶处理后急
固溶处理的应用
1、获得过饱和固溶体。 2 、可作为在某些合金如 QBe 、 Cr18Ni9 等冷变形前的软化处 理（中间退火）。 3、最终热处理提高综合性能（ZL301)。
剧强化及明显降低塑性的现象很少。
5. 4 脱溶序列 5. 5 脱溶产物的组织特征 5. 6 时效前后合金性能的变化 5. 7 影响时效过程及材料性能的因素 5. 8 淬火（固溶处理）与时效的工艺规程 5. 9 小结
5. 1 概述
1、 基本概念：
淬火——高温快冷至低温，建立低温下的亚 稳态，形成过饱和固溶体的过程。 两种情
况有多型性和无多型性。